Wie kann man einen selbstgebauten Low-Dropout-Regler testen und bewerten?

Ich habe einen Low-Dropout-Regler gebaut, nachdem ich Erfahrungen mit dem Bau eines diskreten Linearreglers gesammelt hatte. Die Schaltung ist einfach so:

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Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Ich würde gerne wissen, wie man die maximale Ein- und Ausgangsspannung, die Strombelastbarkeit und die Wärmeableitung dieser Schaltung mit den in der Schaltung angegebenen Teilen sowie den minimalen Spannungsabfall testet.

Indem ich geregelte 5,5 V in diesen Schaltkreis einspeise, kann ich das Maximum von 5,4 V am Ausgang unter einer Last von 30 mA erhalten. Bedeutet dies einen Ausfall von mindestens 0,1 V bei 30 mA?

Ich habe auch ein Minimum von 2,5 V Ausgangsspannung ohne Last. Wie kann man diesen Regler so modifizieren, dass er die Last abschalten kann, indem man den Topf bis zum Ende in eine Richtung dreht?

Ist es auch ein Problem, dass der Operationsverstärker Strom vom ungeregelten Eingang erhält?

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Da dieser Stromkreis nicht geschützt ist, wie fügt man einen Überstromschutz hinzu? Ich erwäge die Verwendung von LM358 anstelle von LM741 als Operationsverstärker-Chip und wie baue ich die Stromerfassungs- und Überstromschutzschaltung mit dem zusätzlichen Operationsverstärker von LM358, einem Shunt-Widerstand und einigen weiteren MOSFETs? (Ich habe 2N7000, BS250, IRF4905und IRF540Ersatzteile massenhaft herumliegen)

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Wenn Sie die Vorschläge aufrunden, scheint dies eine bessere Strecke zu sein?

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Simulieren Sie diese Schaltung

Die Referenz wird gemäß dem Vorschlag von @SpehroPefhany geändert , einen TL431 zu verwenden, der über einen 680-Ω-Widerstand gespeist wird. Der alte 741 wird gemäß dem Vorschlag von @andyaka durch den OPA2134 Dual-Rail-to-Rail-Operationsverstärker (teuer!) Ausgetauscht . Eine gewisse Frequenzkompensation wird unter Verwendung des Kondensators C3 am Gate des Durchgangstransistors M1 versucht.

Meine Absicht des Überstromschutzes ist wie folgt:

Der zweite Operationsverstärker im OPA2134-Gehäuse ist mit einem Differenzverstärker verdrahtet, der die Spannungsdifferenz zwischen dem Strom-Shunt-Widerstand R4 überwacht. Wenn sich der Strom 4A nähert, steigt der Spannungsabfall über R4 bis zu dem Punkt an, an dem sich der Spannungsausgang des Differenzverstärkers OA1b der Schwellenspannung von 2N7000 nähert und beginnt, sie weiterzuschieben, wodurch die Spannung am invertierenden Eingang des Fehlerverstärkers OA1a nach unten gezogen und gedrückt wird die Gate-Spannung von M1 höher und beginnen, M1 abzuschalten.

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Vorschläge nochmal aufrunden, wäre das besser?

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Simulieren Sie diese Schaltung

Der Operationsverstärker treibt den Durchgangs-MOSFET nicht mehr direkt an, und die aktuelle Shunt-Spannung wird direkt an die Schwellenspannung eines MOSFET- PNP-BJT angepasst. Dies sollte in der Lage sein, die Notwendigkeit eines RRIO-Operationsverstärkers zu beseitigen. Ich benutze noch einen relativ modernen LM358, aber ist 741 hier jetzt geeignet?

"Ist es auch ein Problem, dass der Operationsverstärker Strom vom ungeregelten Eingang bekommt?" Der Parameter dafür heißt „Line Regulation“ und ist etwas, das Sie charakterisieren möchten.
@IgnacioVazquez-Abrams Dann sag mir bitte, wie ich es charakterisieren soll?
Variieren Sie die Eingabe und beobachten Sie, wie sich die Ausgabe ändert.
@IgnacioVazquez-Abrams Mehr Details bitte?
@MaxthonChan: Du hast geschrieben: "Also is the op-amp getting power from the unregulated input a problem?"Wie könnte es sonst funktionieren?

Antworten (3)

Ich schlage vor, Sie verwenden keine 3,3-V-Zenerdiode als Referenz. Sie erhalten eine schreckliche Leitungsregelung (und Welligkeitsunterdrückung), insbesondere mit einem Widerstand als Stromquelle, sowie eine schlechte Temperaturstabilität.

Verwenden Sie zumindest einen TL431 (fast so billig wie ein Zener in der Lautstärke), der (wenn Sie ihm > 1 mA geben) eine sehr konstante Spannung (nominell 2,495 V) aufrechterhält und eine recht vernünftige Temperaturstabilität aufweist. Ihre 1uF parallel sollten zu bedingungsloser Stabilität führen.

Ein LM358 sollte mit einem ausreichend niedrigen Pullup-Widerstand gut funktionieren, damit der Ausgang nahe an die positive Schiene herankommt, damit der MOSFET abschalten kann. Der LM358 ist gut für 32 V geeignet, Ihr MOSFET-Gate ist wahrscheinlich nicht für 32 V ausgelegt, sodass Ihr maximaler Eingang begrenzt ist, es sei denn, Sie verbessern Ihre Schaltung.

Sie haben keinen Versuch unternommen, sich mit (Frequenz-)Kompensation zu befassen. Irgendwann (wahrscheinlich sehr bald) werden Sie herausfinden, warum LDOs in diesem Bereich Probleme haben, wenn es sich um einen Oszillator handelt. Aufgrund des riesigen Kondensators ist die Oszillation am Ausgang möglicherweise nicht leicht zu erkennen. Sehen Sie sich also den Ausgang des Operationsverstärkers an, um zu sehen, ob die Schaltung stabil ist.

Wie auch immer: Wie man testet

  1. Leitungs- und Lastregelungstest für den Nenneingangsbereich mit unterschiedlichen Lasten (Minimum bis Maximum und einige dazwischen). Messen Sie jeweils die Ausgangsspannung.

  2. Temperaturstabilität - Wiederholungstests bei verschiedenen Temperaturen von Minimum bis Maximum.

  3. Stabilität - Ändern Sie die Last von Maximum zu Minimum mit unterschiedlichen Eingangsspannungen und beobachten Sie das Ausgangsverhalten - suchen Sie nach Abfall oder Überschwingen, wenn die Last plötzlich erhöht oder verringert wird.

  4. Welligkeitsunterdrückung – Wenden Sie etwas Welligkeit auf den Eingang bei der gewünschten Frequenz an und beobachten Sie, wie viel zum Ausgang durchkommt.

  5. Drop-out – Beobachten Sie das Ausgangsverhalten, wenn der Eingang bei verschiedenen Lasten von Null auf eine Spannung von einigen Volt über dem Ausgang erhöht wird.

Wenn Sie möchten, können Sie auch den Ruhestrom Iq messen. Wenn Ihr Pullup-Widerstand sehr niedrig ist (wie 1K), sehen Sie möglicherweise einen signifikanten Anstieg des Stroms, da die Operationsverstärkerschienen für eine hoch eingestellte Ausgangsspannung und einen etwas zu niedrigen Eingang zum Regeln sind.

Das Design wurde geändert, um eine grobe Frequenzkompensation und einen Überstromschutz einzuschließen. Ist das genug?
Ich glaube nicht, dass Andy einen OPA2134 vorgeschlagen hat - er scheint für die Aufgaben, die Sie ihm stellen, außerordentlich ungeeignet und teuer zu sein.
Andy schlug ein modernes Rail-to-Rail vor und meine Suche auf Taobao (chinesisches Äquivalent zu eBay) ergab diesen OPA2134. Andere Rail-to-Rail-Teile sind noch teurer.
Die Sache ist, es mag relativ modern sein (letzte 20 Jahre), aber es ist kein Rail-to-Rail-Eingang oder -Ausgang. Er ist sogar noch schlechter als der 741. Er ist eigentlich ein großartiger Audioverstärker (geringes Rauschen, extrem geringe Verzerrung, schneller Anstieg), hat aber eine mittelmäßige DC-Genauigkeit. Sie benötigen einen RR-Eingang für die Strombegrenzung (oder zumindest die positive Schiene) und um innerhalb von 2,495 V weniger Toleranz zu arbeiten, also vielleicht 2,47 der negativen Schiene als Referenz, und dieser Teil ist nur gut für (V-) + 2,5 V ( fehlt einfach). Und der Ausgang schwingt nur innerhalb von 1,2 V der positiven Schiene (wahrscheinlich gut genug für diesen bestimmten MOSFET, aber nicht Rail-to-Rail).
Mein Design erfordert also einen echten Dual-RR-Operationsverstärker-Chip? Bitte schlagen Sie einige mögliche Jellybean-Teile vor.
@MaxthonChan Leider glaube ich nicht, dass es so etwas wie einen Jellybean RRIO-Operationsverstärker gibt, der eine hohe Versorgungsspannung erreichen kann. ADA4096-2 ist RRIO und gut für 30 V, aber es ist nicht billig. OPA2192 ist noch nicht verfügbar und wahrscheinlich auch teuer. Ändern Sie besser Ihr Design!
Das Design wurde erneut geändert. Bitte überprüfen Sie, ob dadurch ein teurer Operationsverstärker überflüssig wurde.
@MaxthonChan Ich mag es (der Strombegrenzungstransistor müsste eigentlich ein p-Kanal sein), aber verwende einen PNP-BJT anstelle eines MOSFET für die Strombegrenzung - der Vbe-Abfall wird besser kontrolliert als Vgs (th).
Das Schaltbild von Edit 3 wurde aktualisiert, um den vorgeschlagenen PNP-BJT zur Messung des aktuellen Shunts zu verwenden. Die aktuelle Bewertung in meinem Kopf beträgt hier 3,5-4A.
Rollen Sie eines auf dem Steckbrett nach dem Schema von Edit 3, und es schien gut genug zu sein und kann sich vollständig ausschalten. Am Gate des Pass-MOSFETs ist keine Schwingung zu hören.

Hier ist ein ziemlich einfaches, gut erzogenes LDO, das sich gut simulieren lässt:Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

+V ist 24VDC, die Spannung in der Last ist >23,9V mit R3 bei 5V und <100mV R3 bei 0V.

Ich werde es ein wenig aufräumen, vielleicht den LT1007 gegen einen RR-Out-Operationsverstärker austauschen, um wirklich niedrigen LDO zu erhalten, und morgen einen Link zur LTspice-Datei posten.

+1 Schöne einfache offensichtliche Schaltung. || Vgsmax des FET beträgt 20 V - und die meisten FETs sind bei einer hier verwendeten 24-VDC-Versorgung in Gefahr. Das Hinzufügen eines U1-Ausgangswiderstands und einer Vgs-Klemme zum FET hilft (das wissen Sie :-)). | Die Stabilität in der realen Welt erfordert möglicherweise etwas Spiel. Aber insgesamt ist es die Art von Schaltung, die einem sofort in den Sinn kommt. | Überstromschutz natürlich nicht vorhanden.

Diese Schaltung funktioniert bei Lasten mit geringer Leistung einfach nicht richtig. Die maximale Ausgangsspannung des 741 liegt mindestens 3 Volt unter der Versorgungsschienenspannung, und das bedeutet, dass der P-Kanal-MOSFET immer einen gewissen Strom leitet - die Gate-Source-Spannungsschwelle kann bis zu -2 Volt betragen, was der 741 wahrscheinlich nicht kann Wenn Sie sich der positiven Versorgungsschiene auf 3 Volt nähern, werden Sie irgendwann große Probleme haben.

Das erklärt auch, warum Sie die geregelte Ausgangsspannung nicht richtig abschalten können.

Versuchen Sie, einen Operationsverstärker zu verwenden, der nicht Mitte des letzten Jahrhunderts entwickelt wurde. Hinweis - Rail-to-Rail-Ausgangstypen werden benötigt, um das oben Genannte zu beheben. Bitte beachten Sie auch, dass bei neueren Operationsverstärkern aufgrund ihres erhöhten GBW-Produkts große Instabilitätsprobleme auftreten können. Auf dem Olde Worlde 741 werden sie wahrscheinlich langsamer, um Probleme in Ihrer Schaltung zu verursachen.

Sind LM358 oder LM324, beide Operationsverstärker-Chips, die ich in großen Mengen auf Lager habe, gute Operationsverstärker für diesen Zweck? Oder empfehlen Sie mir bitte einige Jellybean-Teile, die billig genug sind, damit ich sie in großen Mengen auf Lager haben kann.
@MaxthonChan Meine Empfehlung ist, dass Sie einen Operationsverstärker wählen, der über eine Rail-to-Rail-Ausgangsfunktion verfügt. Zumindest sollte es in der Lage sein, eine Spannung auszugeben, die innerhalb von 0,5 Volt der positiven Versorgungsschiene liegt - lesen Sie die Datenblätter - es ist alles drin, es sei denn, Sie möchten, dass ich sie für Sie lese und pflichtbewusst zurückmelde, LOL.
Die Beantwortung des Bearbeitungsabschnitts Ihrer Frage ist nicht relevant, bis Sie das Hauptdesign abgedeckt haben. Ich möchte auch hinzufügen, dass es im Netz viele Beispiele für Überstromschutz gibt. Der Vorrat an bestimmten Geräten sollte niemanden daran hindern, eine adäquate Schaltung zu entwerfen - das ist sowieso meine Philosophie.
Etwas namens OPA2134 kam auf mich zu und behauptete eine maximale Ausgangsspannung von Vcc-0,5 V und eine Geschwindigkeit von 8 MHz. Mehr als 1 US-Dollar pro Stück (LM324 kostet 1 Cent pro Stück) und ist das für Sie in Ordnung? Ich werde ein paar Proben zum Testen bestellen.
Es ist nicht einfach, Low-Dropout-Regler zum Laufen zu bringen, da der Drain/Kollektor des Durchgangstransistors mit der Last verbunden ist und tonnenweise zusätzliche Verstärkung hinzukommt. Ich würde niemanden ermutigen, sein Budget für irgendetwas zu überschreiten, aber wenn Sie die Absicht haben, es zum Laufen zu bringen, seien Sie darauf vorbereitet, die Instabilität (regelrecht massive Oszillation) am Ausgang mit fester Hand zu bekämpfen. Wie gesagt, LDO-Regulatoren sind an den besten Tagen ein wenig instabil.
Wie kann man einen selbstgebauten Low-Dropout-Regler testen und bewerten?
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